EP3891908B1 - Photonenaustauschbasiertes quantennetzwerk und verfahren zum betrieb solch eines netzwerks - Google Patents

Photonenaustauschbasiertes quantennetzwerk und verfahren zum betrieb solch eines netzwerks Download PDF

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EP3891908B1
EP3891908B1 EP19821214.4A EP19821214A EP3891908B1 EP 3891908 B1 EP3891908 B1 EP 3891908B1 EP 19821214 A EP19821214 A EP 19821214A EP 3891908 B1 EP3891908 B1 EP 3891908B1
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Ronald Hanson
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Norbert KALB
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Technische Universiteit Delft
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Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO
Technische Universiteit Delft
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    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/60—Receivers
    • H04B10/61—Coherent receivers

Claims (15)

  1. Verfahren zum Betreiben eines auf Photonenaustausch basierenden Quantennetzwerks, wobei das Netzwerk eine Erfassungsstation und einen ersten und einen zweiten Quantennetzwerkknoten umfasst, wobei der erste und der zweite Quantennetzwerkknoten jeweils einen Laser des Knotens und ein Untersystem umfassen, das zur Emission einzelner Photonen als Reaktion auf die Bestrahlung durch einen Lichtimpuls von dem Laser fähig ist, wobei die Erfassungsstation einen Photonenankunftsdetektor und einen Referenzlaser umfasst, wobei die Untersysteme des ersten und des zweiten Quantennetzwerkknotens über jeweilige Lichtübertragungspfade in Lichtkommunikation mit dem Photonenankunftsdetektor stehen, wobei das Verfahren in jedem der Netzwerkknoten umfasst,
    - Einspeisen des Lichtimpulses vom Laser des Knotens an das Untersystem im Knoten;
    - Einspeisen von Licht aus dem Laser des Knotens in den Lichtübertragungspfad in einem Zeitschlitz, der einem Zeitpunkt vorausgeht, zu dem der Netzwerkknoten den Lichtimpuls aus dem Laser des Knotens einspeist;
    und das Verfahren in der Erfassungsstation umfasst
    - Verwendung eines ersten und/oder zweiten optischen Phasen- und/oder Frequenzmodulators zwischen dem Photonenankunftsdetektor und den jeweiligen Lichtübertragungspfaden, um die optische Phasen- und/oder Frequenzübertragung zwischen den jeweiligen Lichtübertragungspfaden und dem Photonenankunftsdetektor anzupassen;
    - Messen einer ersten und zweiten Phasendifferenz zwischen dem Licht des Referenzlasers und dem im Zeitschlitz des ersten und zweiten Netzwerkknotens übertragenen Licht;
    - Anlegen von Steuersignalen an den ersten und zweiten optischen Phasen- und/oder Frequenzmodulator und Einstellen der Steuersignale in Abhängigkeit von der ersten und zweiten Phasendifferenz, um vorbestimmte Phasenbeziehungen zwischen dem Referenzlaser und dem Licht in der Erfassungsstation aufgrund der Übertragung in dem Zeitschlitz von dem ersten und zweiten Netzwerkknoten herzustellen;
    - Aufrechterhaltung der Steuersignale des ersten und zweiten optischen Phasen- und/oder Frequenzmodulators nach dem Anlegen und Einstellen der Steuersignale, wenigstens bis nach einer erwarteten Ankunftszeit von Photonen, die als Reaktion auf die Bestrahlung durch einen Lichtimpuls im ersten und zweiten Netzwerkknoten emittiert werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei jeweils in dem ersten und zweiten Quantennetzwerkknoten Licht mit der Frequenz des Lasers des Knotens in Licht mit einer Nennfrequenz des Referenzlasers umgewandelt wird, wobei ein optischer erster und zweiter Frequenzwandler in den Lichtübertragungspfaden jeweils in dem ersten und zweiten Netzwerkknoten verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, das das Erfassen umfasst, ob das Steuersignal des ersten oder zweiten optischen Phasen- und/oder Frequenzmodulators oder tiefpassgefilterte Versionen dieses Steuersignals außerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, und, falls dies der Fall ist, das Steuern des optischen Frequenzwandlers des entsprechenden Quantennetzwerkknotens, um einen Wert der vom optischen Frequenzwandler angewendeten Frequenzverschiebung einzustellen, um das Steuersignal zurück in den vorbestimmten Bereich zu lenken.
  4. Erfassungsstation (14) zur Verwendung in einem auf Photonenaustausch basierenden Quantennetzwerk, das mehrere jeweilige Quantennetzwerkknoten (10a, 10b) und die Erfassungsstation (14) umfasst, wobei die Erfassungsstation (14) umfasst
    - einen Photonenankunftsdetektor,
    - eine Verarbeitungsschaltung, die so eingerichtet ist, dass sie Erfassungen von Photonenankünften in einem Beobachtungszeitschlitz registriert;
    - optische Eingänge, die jeweils Licht von einem der jeweiligen Quantennetzwerkknoten empfangen;
    - optische Pfade zwischen den optischen Eingängen und dem Photonenankunftsdetektor, wobei wenigstens ein Teil des optischen Pfades von jedem optischen Eingang nicht mit den optischen Pfaden von einem anderen der optischen Eingänge zusammenfällt:
    - einen Referenzlaser (31); und für jeden der optischen Eingänge,
    - einen optischen Phasen- und/oder Frequenzmodulator in diesem Teil des optischen Pfades vom optischen Eingang;
    - einen optischen Phasendetektor, der so angeordnet ist, dass er eine Phasendifferenz zwischen dem Licht des Referenzlasers und dem vom optischen Eingang abgeleiteten Licht misst;
    - eine Steuerschaltung, die so eingerichtet ist, dass sie ein Steuersignal an den optischen Phasen- und/oder Frequenzmodulator anlegt und das Steuersignal in Abhängigkeit von der Phasendifferenz einstellt, um eine vorbestimmte Phasenbeziehung zwischen dem Referenzlaser und dem in einem Synchronisationszeitschlitz, der dem Beobachtungszeitschlitz vorausgeht, übertragenen Licht herzustellen und das Steuersignal nach der Steuerung in dem Synchronisationszeitschlitz wenigstens bis nach einem Ende des Beobachtungszeitschlitzes aufrechtzuerhalten.
  5. Erfassungsstation nach Anspruch 4, wobei der optische Phasen- und/oder Frequenzmodulator, der optische Phasendetektor und die Steuerung eine Rückkopplungsschleife bilden, wobei sich der optische Phasen- und/oder Frequenzmodulator in dem Teil des optischen Pfades vom optischen Eingang befindet, wobei der optische Phasendetektor so angeordnet ist, dass er die Phasendifferenz zwischen dem Licht vom Referenzlaser und einem Teil des vom optischen Phasen- und/oder Frequenzmodulator ausgegebenen Lichts misst.
  6. Erfassungsstation nach Anspruch 4 oder 5, die einen optischen Schalter umfasst, der so eingerichtet ist, dass er Licht von wählbaren Kombinationen der optischen Eingänge zum Photonenankunftsdetektor durchlässt.
  7. Erfassungsstation nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der optische Phasen- und/oder Frequenzmodulator ein akusto-optischer Modulator ist.
  8. Erfassungsstation nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei der Phasendetektor einen optischen Kombinierer umfasst, der so eingerichtet ist, dass er Licht von dem Referenzlaser mit einem Teil des Lichts von dem Teil des optischen Pfads kombiniert, und einen Detektor, der so eingerichtet ist, dass er eine Intensität des von dem Kombinierer ausgegebenen Lichts erfasst.
  9. Erfassungsstation nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die Verarbeitungsschaltung so eingerichtet ist, dass sie Erfassungen von Photonenankünften in aufeinanderfolgenden Beobachtungszeitschlitzen einschließlich des Beobachtungszeitschlitzes registriert, wobei jede erfasste Photonenankunft in Verbindung mit dem Beobachtungszeitschlitz registriert wird, in dem die Photonenankunft erfasst wurde; wobei die Steuerschaltung so eingerichtet ist, dass sie das Steuersignal wiederholt einstellt, um die vorbestimmte Phasenbeziehung in wiederholten Synchronisationszeitschlitzen zwischen den Beobachtungszeitschlitzen herzustellen und das Steuersignal zwischen den Synchronisationszeitschlitzen aufrechtzuerhalten.
  10. Quantennetzwerk, das die Erfassungsstation (14) nach einem der Ansprüche 4 bis 9 und einen ersten und einen zweiten Quantennetzwerkknoten (10a, 10b) umfasst, wobei der erste und zweite Quantennetzwerkknoten (10a, 10b) jeweils umfassen
    - einen Laser (20) des Knotens;
    - ein Untersystem, das als Reaktion auf die Bestrahlung mit einem Lichtimpuls aus dem Laser des Knotens zur Emission einzelner Photonen fähig ist;
    - einen optischen Splitter (21);
    - einen optischen Impulsmodulator (22), der so eingerichtet ist, dass er Licht von dem Laser des Knotens über den optischen Splitter empfängt und den Impuls erzeugt und an das Untersystem sendet;
    - einen optischen Verschluss (26), der so eingerichtet ist, dass er Licht vom Laser über den optischen Splitter empfängt und das Licht während eines dem Impuls vorausgehenden Zeitschlitzes durchlässt;
    - einen optischen Kombinierer (27), der so eingerichtet ist, dass er Licht von dem Untersystem und dem optischen Verschluss kombiniert und das kombinierte Licht zu einem der optischen Eingänge der Erfassungsstation überträgt.
  11. Quantennetzwerk nach Anspruch 10, wobei sowohl der erste als auch der zweite Quantennetzwerkknoten einen optischen Frequenzwandler umfasst, der zwischen dem optischen Kombinierer und dem einen der optischen Eingänge der Erfassungsstation gekoppelt ist.
  12. Quantennetzwerk nach Anspruch 11, wobei der optische Frequenzwandler mit einem der optischen Eingänge der Erfassungsstation über eine optische Kommunikationsfaser gekoppelt ist, wobei der optische Frequenzwandler so eingerichtet ist, dass er die Frequenz des Lasers des Knotens in eine Lichtfrequenz in einem Durchlassband der optischen Kommunikationsfaser umwandelt.
  13. Quantennetzwerk nach einem der Ansprüche 11 bis 12, das eine Rückkopplungsschaltung umfasst, die so eingerichtet ist, dass sie erkennt, ob das Steuersignal eines der optischen Phasen- und/oder Frequenzmodulatoren oder eine tiefpassgefilterte Version dieses Steuersignals außerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, und, falls dies der Fall ist, einen Wert der Frequenzverschiebung einstellt, der von dem optischen Frequenzwandler angelegt wird, um das Steuersignal zurück in den vorbestimmten Bereich zu lenken.
  14. Quantennetzwerk nach Anspruch 11 bis 13, wobei das erste Quantennetzwerk einen weiteren Laser umfasst, der mit dem optischen Frequenzwandler gekoppelt ist, wobei der optische Frequenzwandler so eingerichtet ist, dass er die optische Frequenz um einen Wert verschiebt, der der Lichtfrequenz von dem weiteren Laser entspricht, wobei das Quantennetzwerk eine Rückkopplungsschleife umfasst, um die Lichtfrequenz von dem weiteren Laser basierend auf einem Erfassungssignal von dem optischen Phasendetektor eines weiteren Detektors zu steuern, um eine Frequenzdifferenz zwischen dem Referenzlaser und dem von dem optischen Eingang der Erfassungsstation empfangenen Licht zu erfassen, um Licht von dem ersten Quantennetzwerkknoten zu empfangen.
  15. Quantennetzwerk nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei das Untersystem ein Stickstoff-Vakanz-Zentrum und/oder ein Cäsium- oder Calciumatom in einem Hohlraum und/oder ein Quantenpunkt ist.
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